劉春元

(嘉興學院，嘉興 314000)

0 引 言

直線電動機將電能直接轉換為機械能(動能)，不需要任何中間傳動裝置，具有結構簡單，效率高的優(yōu)點。Halbach充磁方式的圓筒型永磁直線電動機(以下簡稱TPMLM)由于其自身的屏蔽效應， 使得一側的磁場強度大幅度提高，可以有效地減小電機的質量和體積。此種磁體結構的電機具有較薄的次級鐵心(或無次級鐵心)、轉動慣量小、功率密度高、磁場強度較大且分布正弦性能好等優(yōu)點，在磁齒輪[1-3]、盤式電機[4]、人工心臟系統(tǒng)[5,6]廣泛應用。很多學者對Halbach磁體結構電機的設計理論、電機磁場分布等方面進行了大量的研究[7-9]。TPMLM的無鐵心結構既可以是次級無導磁鐵心，也可以是初級無鐵心結構，其用途不一，初級無鐵心適合應用于伺服系統(tǒng)，次級無鐵心適合應用于發(fā)電系統(tǒng)和直線數(shù)控機床等領域。

本文以Halbach磁體結構的TPMLM為研究對象，建立電機的二維有限元分析模型，分別分析有次級鐵心和無次級鐵心的磁力線和磁感應強度分布、空、負載感應電動勢等參數(shù)，利用傅里葉分析，優(yōu)化設計電機結構；最后，根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)，制造了一臺用于波浪發(fā)電系統(tǒng)的電機，并進行了相關的實驗研究，取得了較好的應用效果，為大規(guī)模利用Halbach磁體結構的電機奠定了基礎。

1 TPMLM的結構

本文研究的Halbach充磁結構的TPMLM的三維結構圖如圖1所示，主要由初級和次級組成。其中初級部分由繞組和初級鐵心組成，繞組采用模塊化結構，便于電機的擴展和安裝；初級鐵心和背鐵的材料都選用D23，它是一種常用的導磁材料，具有造價低，飽和點相對較高等優(yōu)點。次級部分包括永磁體以及背鐵，永磁體選用剩磁Brem=1.15 T，相對磁導率μr=1.05，矯頑力hc=860 kA/m的NdFeB35。為了減小摩擦力和固定氣隙的寬度，次級和初級之間用不銹鋼軸承連接。為了繞線方便，初級槽選用開口槽。電機基本尺寸如表1所示。

圖1 三維結構圖表1 永磁直線電動機基本尺寸

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值極距τp/mm21.5徑向永磁體長度τmr/mm14.5軸向永磁體長度τmz/mm7槽距τc/mm19.5槽寬bs/mm10.5外徑Ro/mm54.5內徑Ri/mm48.5背鐵厚度Hb/mm3永磁體厚度HPM/mm3氣隙g/mm3匝數(shù)N60

2 TPMLM有限元分析

由于TPMLM是軸對稱模型，根據(jù)表1的電機參數(shù)，建立了TPMLM的二維有限元分析模型。為了分析方便，做以下假設：

1)TPMLM的磁場是沿軸向均勻分布，即，磁場在z的方向上無變化；

2) 忽略TPMLM的端部效應；

3) 忽略TPMLM的外部磁場，即認為其次級外圓周為零矢量位。

2.1 空載磁場

本文分別建立TPMLM有次級鐵心和無次級鐵心2種有限元仿真模型，其他參數(shù)均相同。圖2為空載磁場分布圖。圖3為磁感應強度云圖。從圖3中可以看出，無論是有無背鐵，其磁力線主要經(jīng)磁體內部閉合，形成次級鐵心(或無鐵心)的磁力線較弱，對次級鐵心有屏蔽作用。因此，其次級鐵心可以設計得很薄，甚至可以省去鐵心，這對降低電機的體積和質量、提高電機的功率密度和電磁推力極為有利，特別適合用于高精度的伺服系統(tǒng)。

(a) 無鐵心

(b) 有鐵心圖2 空載磁場分布

(a) 無背鐵

(b) 有背鐵圖3 磁感應強度云圖

圖4為有次級鐵心和無次級鐵心的空載氣隙磁感應強度曲線圖。從圖4可以看出，有次級鐵心的空載氣隙磁感應強度稍大于無次級鐵心的，其中有次級鐵心的磁感應強度值為0.63T，無次級鐵心的磁感應強度為0.51T。利用傅里葉分析，有次級鐵心和無次級鐵心的磁感應強度THD值分別為14.62%和21.99%，正弦程度明顯優(yōu)于軸向和徑向充磁結構。諧波含量主要是3次諧波，它主要是由于直線電動機固有端部效應所引起的。

圖4 空載氣隙磁感應強度

2.2 空載感應電動勢

圖5為有次級鐵心和無次級鐵心TPMLM在速度為1m/s時的空載感應電動勢波形。有、無次級鐵心的最大感應電動勢分別為58.5V和42.3V。對三相進行傅里葉分解，其THD值依次為1.95%，1.79%，1.98%和1.32%，1.34%，1.41%。充分說明，Halbach充磁結構的直線電動機具有較好的正弦感應電動勢，提高了電機的電磁性能。從圖5還可以看出，有次級鐵心的電機功率密度大于無次級鐵心，而無次級鐵心結構可以減小電機的次級質量，減小次級的慣動轉量，具體使用哪種結構，要根據(jù)具體的使用環(huán)境來決定。

圖5 空載感應電動勢

2.3 負載感應電動勢

同樣地，分析當電機速度為1m/s，負載為純阻性負載，其值為20Ω時，利用有限元計算有次級鐵心和無次級鐵心的負載感應電動勢，波形圖如圖6所示。從圖6可以看出，兩種類型的波形都具有較好的正弦性和對稱性，其中B相感應電動勢值大于其他兩相，這主要是由于在負載時的電樞反應所引起的。在具體調整時，可以通過改變電機的繞組匝數(shù)，使得三相輸出感應電動勢的幅值接近相同。有次級鐵心和無次級鐵心的最大感應電動勢值分別為55.4V和41.7V。同圖5的空載感應電動勢相比，感應電動勢的相位有所偏移，這是由于空載感應電動勢的相位由永磁體產(chǎn)生的磁場決定，而在負載時，其相位由電樞反應和永磁體的磁場共同決定。

圖6 負載感應電動勢(R=20 Ω)

圖7 無次級鐵心負載感應電動勢 和電流(R=18 Ω，L=200 mH)

3 實驗驗證

為了驗證上述有限元分析的準確性，實驗室制造了一臺用于波浪發(fā)電系統(tǒng)的TPMLM。采用有次級鐵心的Halbach充磁結構。圖8為樣機。

圖8 樣機

課題組成員于北緯34°18′，東經(jīng)120°16′37″的江蘇省鹽城市濱海港進行實驗。此處風力較小，沿岸波浪比較穩(wěn)定。圖9為安裝于此處的直驅式波浪發(fā)電系統(tǒng)。其輸電端通過電纜線引出至防撞墻，用示波器記錄其輸出電壓波形。在實驗過程中，波浪周期T約為37s，波高H約為0.15～0.5m。圖10為示波器采集到的系統(tǒng)輸出電壓波形。直驅式波浪系統(tǒng)的瞬時功率可達30W。實驗結果表明，由此類TPMLM組成的直驅式波浪發(fā)電系統(tǒng)，可以將波浪能有效地轉換為電能，為以后的大功率波浪開發(fā)和利用積累了經(jīng)驗。

圖9 波浪發(fā)電實驗

圖10 系統(tǒng)輸出電壓波形

4 結 語

本文通過對有次級鐵心和無次級鐵心2種結構的Halbach電機的電磁性能進行了研究，利用有限元分析了其氣隙磁感應強度、空載和負載感應電動勢，并通過實驗進行了驗證。得到的結論如下：

1) 通過對有無次級鐵心的Halbach充磁結構的電機進行有限元分析，得出有次級鐵心的TPMLM的功率密度和氣隙磁感應強度均大于無次級鐵心，可以分別用于不同的場合。如對出力要求較低，而控制精度較高的場合，可以選用無次級鐵心的結構形式。

2) 對感應電動勢進行傅里葉分解，Halbach磁體結構的永磁電機感應電動勢正弦程度高，性能好，可以在波浪發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛的應用，并通過實驗驗證了所設計的電機，為以后大規(guī)模開發(fā)和利用波浪能奠定了基礎。